معرفی و آشنایی با ترموکوپل و انواع آن

روش های اندازه گیری دما به شرح زیر می باشد:

1- اندازه گیری دما از راه غیر تماسی

• مادون قرمز
• صوتی

2- اندازه گیری دما  از راه تماسی

• ترموکوپل
• RTD
• ترمیستور

در صنعت معمولترین وسیله برای اندازه گیرهای الکتریکی دما ترموکوپل ها می باشند. مکانیزم ترموکوپل ها بر حسب پدیده سی بک (Seebeck)  می باشد که وظیفه آنها تبدیل تغییرات دما به ولتاژ  است.ترموکوپل یکی از پرمصرف‌ترین و پرکاربردترین سنسورهای دمایی محسوب می‌شود که در صنعت‌های بسیاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.ترموکوپل جزو سنسورهای تماسی در اندازه‌گیری دما محسوب می‌شود. چراکه ما سنسورهای غیر تماسی دمایی نیز داریم که بدون نیاز به اتصال یا تماس با محیط موردنظر می‌توان کمیت فیزیکی دما را با آن‌ها اندازه‌گیری نمود. 

 مزایای ترموکوپل

از مزیت های ترموکوپل ها قیمت مناسب ،سادگی، استحکام و دوام  زیاد جهت مصارف صنعتی و دقت مناسب میباشد. محدوده اندازه گیری دمای ترموکوپل ها وسیع بوده و در شرایط محیطی متفاوت، به کار برده میشوند.  ترموکوپل ها به علت ثابت زمانی کوچک سرعت پاسخ دهی خوبی دارند.

امتیاز عمده ترموکوپل ها محدوده وسیع اندازه گیری آنهاست که به طور اسمی از ۱۸۰- تا ۱۸۰۰+ درجه سانتیگراد را در برمی گیرد. دیگر امتیاز ترموکوپلها، عملکرد خطی آنها در محدوده اندازه گیری است.

اگر قسمت کوچکی نوک جوشکاری شده ترموکوپل برداشته شده و ترموکوپل داخل خط لوله جاسازی شود، دمای سیال جاری درداخل لوله، بدون هیچگونه زحمتی قابل اندازه گیری است. این نوع سنسورها در بازار موجود هستند و غالباً جهت اندازه گیری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

معایب ترموکوپل

از معایب ترموکوپل ها، غیر خطی بودن ، تماسی بودن (در معرض اغتشاش و شوک و …)، دقت متوسط را می توان نام برد. جهت استفاده ترموکوپل در مکان هایی که لرزش یا ضربه وجود دارد برای محافظت از سنسور از روکشی بنام ترموول یا غلاف استفاده می شود که باعث کاهش سرعت پاسخگویی می شود.

کاربرد ترموکوپل

ترموکوپل ها همواره پس از گذشت سالیان متمادی از بهترین سنسورها برای اندازه گیری دما می‌باشند زیرا با نقطه مورد نظر تماس برقرار نموده و دما را بصورت پتانسیل الکتریکی انتقال می‌دهند و ولتاژ با اتصال به اندیکاتور اندازه گیری و به صورت دما تحت تبعیت از جداول مورد بحث مشابه سازی شده و نمایش داده می‌شود. از این دستگاه برای اندازه گیری دماهای بالا (مثلاً در کوره‌های پخت محصولات سرامیکی) استفاده می‌شود. ترموکوپل‌ها اصولاً در دمای پایین داری دقت لازم نیستند ولی جهت سنجش دماهای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتیگراد یکی از گزینه‌های خوب می‌باشند.

ترموکوپلها در صنعت دارای کاربردهای بسیار زیادی هستند. از جمله مهمترین کاربردهای ترموکوپل در صنایع را می توان در صنایع تولید لوازم گازسوز نام برد. بدین ترتیب که از ترموکوپل جهت ایمن سازی تجهیزات گاز سوز در مواردی که شعله گاز به دلایلی (از جمله باد) خاموش می‌گردد، جهت قطع کردن گاز و جلوگیری از انتشار آن استفاده می‌گردد. ترموکوپل به دلیل ایجاد ولتاژ و جریان الکتریسته در اثر دریافت حرارت، وسیله بسیار مفیدی در کنترل حرارت یا استفاده بعنوان کنترلر می‌باشد. از جمله کاربردهای آن، به عنوان انواع [قطع کننده جریان گاز] می‌باشد.

انواع ترموکوپل

از اتصال یک فلز و آلیاژ ساختمان، ترموکوپل ها ساخته می شوند و با عملکردی ساده  به اندازه گیری دما در محدوده ی 270- تا حدود 1800 درجه میپردازند. ترموکوپل ها طبق جنس فلز و آلیاژشان به شش دسته تقسیم می شوند.

ترموکوپل نوع K

این دسته از ترموکوپل ها از Ni-Al (به نام تجاری آلومل  Alumel)  و سیم فلزی Ni-Cr  (به نام تجاری کرومل  Chromel ) تشکیل شده است. ترموکوپل نوع K قیمت ارزانی دارد و بسیار پر کاربرد میباشد. محدوده عملکرد این نوع ترموکوپل از 250- تا 1300 درجه سانتی گراد میباشد(این محدوده مطلق نیست و به سازنده آن  بستگی دارد) مثلا ترموکوپل میله ای نوع K تا محدوده 1300 درجه سانتی گراد را اندازه گیری میکند اما ترموکوپل سیمی دارای محدوده اندازه گیری از 40- تا 250 درجه سانتی گراد میباشد. ترموکوپل نوع K دارای خاصیت ضد اکسیداسیون میباشد که به دلیل  استفاده از مس است. بنابراین استفاده از آنها در کوره ها توصیه میشود.

  این ترموکوپل از سیم فلزی Ni-Cr  (به نام تجاری کرومل  Chromel ) و  Ni-Al (به نام تجاری آلومل  Alumel) ساخته می شود. این ترموکوپل ارزان قیمت است و یکی از پرکاربردترین و متداولترین نوع ترموکوپل ها می باشد.  رنج عملکرد دمایی آن بین −۲۵۰ °C و۱۳۰۰ °C  (این رنج مطلق نیست و بسته به سازنده و نوع ظاهری آن متفاوت خواهد بود بطور مثال ترموکوپل های سیمی شکل نوع K رنج ۴۰- تا ۲۵۰ درجه می باشد و نوع میله ای آن قادر به اندازه گیری تا محدوده ۱۳۰۰ درجه هستند). حساسیت ترموکوپل تیپ K تقریبا ۴۱  µV/°C  است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. ترموکوپل نوع K بخاطر استفاده از مس خاصیت ضد اکسیداسیون دارد لذا در کوره ها که اکسیداسیون رخ می دهد مناسب است.

ترموکوپل نوع J

این دسته از ترموکوپل ها از  آلیاژهای مس- نیکل Cu-Ni (کنستانتان Constantan  ) و فلز آهن تولید می شود. رنج دمایی ترموکوپل نوع J در محدوده  180- تا 800 درجه سانتی گراد میباشد. در صنایع قالب ریزی پلاستیک به علت احتمال اکسید شدن آهن از ترموکوپل نوع J استفاده می کنند. حساسیت این ترموکوپل برابر  51 µV/°C میباشد. در مکانهایی که  اکسیداسیون  ممکن است وجود داشته باشد به دلیل وجود آهن بهتر است  ترموکوپل نوع J استفاده نگردد.

ترموکوپل نوع E

ترموکوپل نوع E  از فلزات  Cu-Ni (کنستانتانConstantan ) و Ni-Cr (کرومل) تشکیل می شود. محدوده اندازه گیری دما بین 40- تا 900 درجه سانتی گراد است. ترموکوپل نوع E حساسیت بالایی دارد( 62 µV/°C ). از این ترموکوپل در  جاهایی که در آن سنسور محافظت نشده و نیز کاربردهای خلاءاستفاده میشود.

 ترموکوپل نوع T

ترموکوپل نوع T از مس Cu و آلیاژ Cu-Ni  (کنستانتان Constantan) تشکیل شده است.محدوده عملکرد دمایی ترموکوپل نوع T از 250- تا 400 درجه سانتی گراد میباشد .این دسته از ترموکوپل درکاربردهایی با دمای پایین به کار میرود  و قیمت نسبتا ارزانی دارد و ترموکوپل نوع T در برابر رطوبت مقاومت میکند و دارای حساسیت 46 µV/°C  میباشد. دلایل استفاده از ترموکوپل نوع T در صنعت در زیر آورده شده است: 

نسبت به تمام انواع ترموکوپل خطی تر است

رنج درجه حرارت مناسبی دارد

همچنین از حساسیت خوبی برخوردار است

ترموکوپل نوع  N

این ترموکوپل از فلزهای Ni-Cr-Si (به نام تجاری نیکروسیل) و Ni-Si-Mg (به نام تجاری نیسیل  Nisil) ساخته می شود. محدوده دمائی آن بین -270°C و +1300 °C  است. حساسیت این ترموکوپل، 30 µV/°C  است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین تحمل این سنسور در برابر اکسید شدن در دماهای بالا بهتر نوع K می باشد.

ترموکوپل نوع R و S وB

این ترموکوپل ها با استفاده از Pt-Rh (پلاتین - رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می شود (تفاوت این سه نوع در میزان پلاتین آنهاست). قیمت آن ها بالا و حساسیت آن بسیار کم و در حدود10  µV/°C  و محدوده دمایی آن تقریبا  -50 °C و +1750 °C است. انواع این ترموکوپل ها در اندازه گیری با دمای بالا بطور مثال در صنعت شیشه و فولاد به کار می روند.

پارامترهای مهم جهت انتخاب ترموکوپل :

• نوع ترموکوپل و رنج دمایی آن
• تعداد سیم ها (2 و3و4 سیمه)
• خروجی (خروجی سنسوری mV-  ولتاژ/ جریان (دارای ترانسمیتر))
• متراژ کابل رابط- پروب
• سایز المان(قطر و طول (

معمولا استانداری برای تعیین رنگ کابل ترموکوپل ها می باشد که بطور مثال طبق استاندارد آمریکا در شکل زیر آورده شده است :

انواع مختلف ترموکوپل:

• ترموکوپل بسته به کاربرد دارای ظاهر متفاوتی هستند تصاویری از انواع ترموکوپل در ذیل آورده شده است.
• ترموکوپل غلاف دار بهمراک کلاهک برای نصب ترانسمیتر- مناسب در کاربردهای صنعتی
• ترموکوپل پرابی- دارای متراژ متفاوت سیم مناسب برای مکان های دور از دسترس
• ترموکوپل پرابی پرتابل- مناسب برای تست و تجهیزات پرتابل مثل ترمومتر های دیجیتال
• ترموکوپل سیمی مناسب برای اندازه گیری دماهای زیر 250 درجه سانتیگراد
• ترموکوپل سطحی- مناسب برای اندازه گیری دمای سطح مانند کوره

غلاف ترموکوپل

خود سنسور ترموکوپل سنسور بسیار کوچکی است که دقیقاً در حد نقطه کو پل شدن ۲ فلز ناهم‌جنس است ولی از آنجایی که این سنسور جزو سنسورهای تماسی است برای مصارف مختلف نیاز به یک اساتراکچر مناسب برای محل نصب خواهیم داشت که به آن غلاف می‌گویند. این غلاف در سایزهای مختلف در بازار موجود است که هنگام خرید می‌توانید سازهای مختلف موردنظر را به فروشنده اعلام کنید تا برای شما آماده کند.مثلاً غلاف ۵ سانتی ، غلاف ۱۰ سانتی و …

علاوه براین یکی از علت‌هایی که از غلاف برای ترموکوپل‌ها استفاده می‌شود محافظت از نقطه کو پل در برابر تنش و شوک‌های مکانیکی است. در کنار این موضوع که این غلاف محافظ خیلی خوبی برای ترموکوپل است باید به این نکته نیز توجه داشت که سرعت پاسخ‌دهی خود ترموکوپل در حالت عادی بالاست ولی زمانی که از این غلاف‌ها جهت محافظت از نقطه کو پل استفاده می‌شود سرعت پاسخ‌دهی تا حدودی پایین می‌آید.

کاربرد  ترموکوپل

اما وقتی جنس فلزات را متفاوت انتخاب کنیم، از آنجا که هر فلز ویژگی های رسانایی مخصوص به خودش را دارد، باید انتظار اختلاف ولتاژ در بین این دو فلز را داشته باشیم؛ اما چه طور اختلاف ولتاژی؟

از اتصال فلزات تا تشخیص دما در کارکرد ترموکوپل 

از اختلاف ولتاژ تولید شده در کارکرد ترموکوپل  صحبت کردیم. هنگامی که ۲ فلز غیر همجنس به یکدیگر متصل می شوند که البته این اتصال می تواند به صورت تابیدن و یا جوش دادن میان ۲ فلز غیر همجنس باشد با توجه به ماهیت رسانایی فلزات و البته عکس العمل های متفاوت آنها می توانیم شاهد اختلاف ولتاژ کوچکی در دو سر آزاد فلزات باشیم. در این حالت به سر متصل شده ی فلزات اتصال گرم و سر انتهایی این ۲ فلز اتصال سرد گفته می شود. منظور از اتصال گرم جایی است که قرار است در نزدیکی محل تشخیص دما باشد. از این رو این نقطه دچار تغییرات دمایی بسیار زیادی خواهد بود. اتصال سرد که دو سر آزاد ترموکوپل است به سیستم کنترلر و اندازه گیر متصل می شود. 

در حالتی که اختلاف دمایی میان اتصال گرم و سرد ترموکوپل وجود ندارد، شاهد اختلاف ولتاژ و تشخیص دما نیستیم. اختلاف ولتاژ و در ادامه تشخیص دما زمانی است که اختلاف دمایی مابین قسمت اتصال گرم و اتصال سرد باشد. هر چه میزان اختلاف دما در دو قسمت ترموکوپل بیشتر باشد در قسمت اتصال سرد، ولتاژی در حد میلی ولت بالاتری ایجاد می شود. البته این ولتاژ تولید شده به چند عامل کلی مانند مقدار دما و جنس ترموکوپل بستگی دارد. اساس کارکرد ترموکوپل به این شکل می باشد.

یک غلاف بلند و دو رشته سیم و در نهایت یک سیستم کنترل دیجیتالی و یا یک ورودی از یک PLC و شاید یک تجهیز کامپیوتری و صفحه نمایش پیشرفته. خب، احتمالاً تمام اینها که گفتیم چیز هایی است که شما در برخورد با یک سیستم حلقه بسته و یا حلقه باز کنترل دما خواهید دید. سیستمی که ترموکوپل در ابتدای آن قرار گرفته است. در این مواقع ممکن است این سوال ساده پیش بیاید که ترموکوپل چگونه کار می کند؟ یا کارکرد ترموکوپل چگونه است؟

چرا که کارکرد ترموکوپل از یک سیستم بسیار ساده بهره می‌ برد. تمام چیزی که یک ترموکوپل را از آن ساخته ‌اند، دو رشته سیم ساده است و همین دو رشته سیم ساده به راحتی همراه با دقت بالا می تواند اطلاعات بسیار سریعی از تشخیص دمای هر محیطی را ارائه نماید.

خب، این سیستم بسیار ساده چگونه می تواند با این دقت اطلاعات دمایی را کسب کرده، تحلیل نموده و در اختیار سیستم های کنترلی بگذارد؟ خیلی ماجرای کارکرد ترموکوپل را پیچیده نکنیم. اساس کارکرد ترموکوپل ها مانند ساختار خودشان ساده است و از ماهیت کلی فلزات می آید. از آنجا که تمامی فلزات رسانای جریان برق هستند پس تقریبا همیشه و در همه حال می توانند مقدار اندکی از سیگنال ‌های الکتریکی را در خود ایجاد نموده و یا انتقال بدهند. اگر تمام ساختار ترموکوپل را از یک نوع فلز می ساختند، دیگر نمی توانستند اطلاعات دمایی را داشته باشند. چرا که در کارکرد ترموکوپل مذکور سطح ولتاژ یکسانی حاکم می ‌شد.

نحوه کارکرد ترموکوپل 

با رسیدن حرارت به محل اتصال این دو فلز، جریان بسیار ضعیفی از محل اتصال تولید می شود و به سمت سیم ها، جریان می یابد. با بالا تر رفتن دمای محل اتصال دو فلز، ولتاژ تولیدی افزایش می یابد و در حقیقت ترموکوپل در هر دما، ولتاژ معینی تولید می کند و در نتیجه در صورتی که بتوانیم این ولتاژ را به صورت دقیق اندازه گیری کنیم، قادر خواهیم بود دمای محل اتصال را به صورت دقیق اندازه گیری کنیم. ولتاژ تولید شده توسط ترموکوپل بوسیله ترمومتر به دما تبدیل می شود.

جهت تقویت ولتاژ ترموکوپل که ولتاژی میلی ولتی تولید میکند باید از مدار تقویت کننده استفاده کرد . یکی از این تقویت کننده ها که در بازار به صورت یک مدار مجتمع (آی سی) می توان آن را تهیه کرد و با استفاده از چند مقاومت میتوان آن را راه اندازی کرد .آی سی AD595AQ می باشد .البته این آی سی به قیمت خیلی زیادی در بازار به فروش می رسد . در زمان نوشتن این مقاله قیمتی حدود ۲۵۰ هزار تومانی به خود اختصاص داده . راه دیگر استفاده از مدار زیر می باشد که قیمت تمام شده آن حدود ۱۰ برابر کمتر می باشد.

نمودار زیر میزان ولتاژ برحسب دمای انواع ترموکوپل‌ها را نشان می‌دهد که بیانگر رفتار غیرخطی ترموکوپل نیز است:

راهنمای خرید و فروش  ترموکوپل و سنسور دما
شرکت سنجش دقیق پاسارگاد یکی از مراجع فروش تجهیزات آزمایشگاهی و مراکز فروش ترموکوپل و سنسور دما در ایران می باشد که همواره در تلاش است تا با ارائه محصولاتی با کیفیت از مطرح ترین برند های موجود در دنیا، کاربران را در خرید وسایل مورد نیاز یاری نماید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر از طریق یکی ار راه های ارتباطی شرکت با در تماس باشید